數(shù)控機(jī)床故障維修實(shí)例與分析

祝戰(zhàn)科，安宣社

(1. 陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 咸陽(yáng) 712000； 2. 陜西省機(jī)械研究院,陜西 咸陽(yáng) 712000)

0 前 言

數(shù)控機(jī)床故障一般有數(shù)控系統(tǒng)本身的硬件故障，主軸放大器和主軸伺服電機(jī)故障，進(jìn)給伺服放大器和進(jìn)給電機(jī)故障[1]，機(jī)床PMC(I/O)故障，操作錯(cuò)誤及編程錯(cuò)誤故障，外界干擾引起的故障，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)床電氣部分故障，機(jī)床機(jī)械本體故障等。

數(shù)控機(jī)床維修的一般原則是：①先靜后動(dòng)。維修人員要做到先靜后動(dòng)，對(duì)機(jī)床故障也要先靜后動(dòng)；②機(jī)械在先、電氣在后。觀察機(jī)械故障比較容易，但對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)的診斷則具有一定難度；③先外后內(nèi)。采用望、聽、嗅、問、摸等方法由外向內(nèi)逐一檢查[2]；④公用在先，專用位后，主要問題要先處理，次要問題之后處理；⑤困難在先，復(fù)雜在后；⑥一般在先，特殊在后。在故障排除時(shí)先排除常見、一般的故障，再去分析特殊情況。

對(duì)數(shù)控機(jī)床故障診斷時(shí)過程較為特殊，內(nèi)容如下：①掌握資料，收集資料圖，如安裝圖紙、原理圖紙，故障部位機(jī)械的構(gòu)造、PLC的控制回路；②詢問，進(jìn)入到故障所在地之后，先詢問故障的基本情況，如現(xiàn)象、產(chǎn)生的過程，分析故障報(bào)警的信號(hào)，掌握第一手信息資料；③羅列故障原因，從數(shù)控、電氣、數(shù)控機(jī)械三大系統(tǒng)著手，將可能導(dǎo)致的故障原因一一羅列，計(jì)劃相應(yīng)的工作內(nèi)容。以計(jì)劃內(nèi)容為主，做好故障的排查工作、維修；④總結(jié)，當(dāng)故障處理完成之后，對(duì)維修的過程做好總結(jié)、分析、匯總，對(duì)維修的成本計(jì)算，對(duì)之后的維修意見給出科學(xué)、合理化的意見[3]。

本文結(jié)合幾例典型案例為說明，找到原因并加以分析，確保更好把故障排除。

1 故障分析與維修實(shí)踐

1.1 數(shù)控加工中心報(bào)警故障的維修

1)故障所表現(xiàn)出來的情況。FANUC的數(shù)控系統(tǒng)工作的時(shí)候，突然出現(xiàn)報(bào)警，信號(hào)提示：387# X AXIS：ABNORMAL ENCODER(EXT)分離式檢測(cè)器發(fā)生某種異常；447# X AXIS：HARD DISCONNECT(EXT)通過硬件檢測(cè)到分離式檢測(cè)器斷線。

2)根據(jù)報(bào)警信息查診斷。DNG200.1位為“1”斷線故障[4]。DNG 201.4，201.7位均為“1”分離型脈沖編碼器硬件斷線。X軸伺服為全閉環(huán)，反饋元件為HEIDENHAIN光柵尺，這代表了反饋環(huán)節(jié)有問題存在。

3)維修的過程。簡(jiǎn)單為先、復(fù)雜在后，檢查有沒有斷線、插頭是否插好等。再查看光柵尺，檢查出讀數(shù)頭已被冷卻液腐壞，更換此元件。為了確保生產(chǎn)的正常進(jìn)行，將原全閉環(huán)系統(tǒng)改變?yōu)榘腴]系統(tǒng)，參數(shù)進(jìn)行如下調(diào)整。

1 815.1及2 002.3位“1”→“0”；2024#→12500;2084#及2085#分別更換成“2”、“125”，僅1821#保持不變。

參數(shù)1815.1位由“1”改“0”，表示不采用分離型檢測(cè)裝置，即不用全閉環(huán)，改用半閉環(huán)反饋；

參數(shù) 1 821是參考計(jì)數(shù)器容量設(shè)定值。指伺服電機(jī)轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)位置反饋脈沖數(shù)[5]。例如：滾珠絲杠螺距為8 mm，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，工作臺(tái)移動(dòng)8 mm，一個(gè)脈沖0.001 mm,折算成位置反饋脈沖數(shù)等于8 000。

參數(shù)2002.3位由“1”改“0”；

參數(shù)2024#改為12500；將半閉環(huán)的控制系統(tǒng)定為12500。在全閉環(huán)系統(tǒng)下，根據(jù)電動(dòng)機(jī)一轉(zhuǎn)來對(duì)反饋的脈沖數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

設(shè)定柔性進(jìn)給傳動(dòng)比(N/M)。參數(shù)2084#改為2，(N)；參數(shù)2085#改為125，(M)。

不同絲杠的螺距、機(jī)床傳動(dòng)，安裝有減速齒輪時(shí)，為了能讓反饋的脈沖數(shù)、指令脈沖數(shù)可與齒輪比契合，即N/M?？蓪?duì)齒輪比進(jìn)行柔性處理，把參數(shù)調(diào)整。

全閉系統(tǒng)中：其齒輪比為(伺服電動(dòng)機(jī)—轉(zhuǎn)所需的位置反饋脈沖數(shù)/電動(dòng)機(jī)—轉(zhuǎn)分離型檢測(cè)裝置位置反饋的脈沖數(shù))的約分?jǐn)?shù)。

半閉系統(tǒng)中：其齒輪比為伺服電動(dòng)機(jī)-轉(zhuǎn)所需的位置反饋脈沖數(shù)/100萬)的約分?jǐn)?shù)

光柵尺修好后，重新連接，將參數(shù)改回，機(jī)床正常[6]。

本故障的維修提供給我們半閉環(huán)系統(tǒng)與全閉環(huán)系統(tǒng)在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置中的不同之處及相互轉(zhuǎn)換的方法。

1.2 開機(jī)出現(xiàn)的故障分析

加工中心用的系統(tǒng)為VMC850(FANUC-0iB系統(tǒng))，當(dāng)開機(jī)之后主軸故障(1006#)。同時(shí)，3個(gè)伺服單元的電壓過高(439#X、Y、Z)、并且9011#過電壓還出現(xiàn)報(bào)警的情況。

1)故障判斷和分析。系統(tǒng)顯示為故障是由于過電壓引起的。同時(shí)，對(duì)資料進(jìn)行查閱，找到報(bào)警可能原因有：①PSM、SPMR直流鏈路的電壓出現(xiàn)過高的情況；②PSM檢查的選定，對(duì)輸入電源、電壓、電機(jī)減速檢查其電源的電壓改變；③機(jī)床廠家在設(shè)計(jì)中所提供的PMC報(bào)警。

2)維修過程。通過檢測(cè)后得知，PSM、SPM所顯示的7#、11#報(bào)警，原因一樣，均是因?yàn)殡妷涸斐傻摹?/p>

測(cè)AC輸入電壓217 V屬正常。DGN診斷: 200.3位為“1”( HVA)過電壓(伺服)。

2臺(tái)一樣的機(jī)床在相互換了PSM、SPM后，故障仍未處理好。這時(shí)一定要冷靜，不再局限于手冊(cè)，需另想處理方式。特別注意，過電壓并非為系統(tǒng)硬件導(dǎo)致，以公為先，專為后原則，排查電源。

供電的電源所采用的是三相五線制。在工作零線、地線保護(hù)時(shí)，之間的阻值<3 Ω，這和機(jī)床對(duì)比，將零線換掉，拔出RS232C插頭。處理之后能正常開機(jī)，但將零線一接上，故障卻又再次出現(xiàn)。將保護(hù)地線去掉又恢復(fù)正常，可機(jī)床外卻有電流通過。所以重新?lián)Q一條零線，故障得以處理。

1.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)交流伺服電機(jī)過熱報(bào)警故障的維修

1)故障表現(xiàn)的情況。加工過程中XH756B/1加工中心，主軸電機(jī)為FUNUCα18/7000i永磁交流同步伺服電機(jī)出現(xiàn)了報(bào)警，提示9001#。這時(shí)，電機(jī)太熱，且溫度由原來的22℃直線提升至120℃。

診斷為DGN408中顯示電機(jī)溫度高達(dá)120℃，而且溫度升得太不正常，而且速度太快。

2)分析判定。對(duì)故障進(jìn)行分析找到電機(jī)太熱的原因：①電動(dòng)機(jī)過載及電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的故障。可能原因是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)被污染了，散熱受到了影響；②溫度檢測(cè)不良或連接故障，需要對(duì)此進(jìn)行逐一排查。

3)維修過程。先需要判斷出機(jī)械負(fù)載原因，把伺服電機(jī)、主軸分離，讓電機(jī)空載實(shí)驗(yàn)，在MDI方式之下將M03 S300輸入→執(zhí)行→9021#報(bào)警。原因是因?yàn)橹鬏S位置編碼器通過齒輪、主軸相連，主軸分離后編碼器就沒了。這時(shí)要把參數(shù)修改，把編碼器屏蔽。4 002.1：“1”→“0”；4 394.5：“0”→“1”。這樣操作后報(bào)警解除。

對(duì)M03 S300進(jìn)行執(zhí)行，從主軸轉(zhuǎn)動(dòng)起的那時(shí)起計(jì)算時(shí)間，25 min之后溫度從原有的220℃上升至560℃，三相電流基本保持平衡，18 A左右且指正偏擺幅度大，空載的電流太高，這種情況并不正常，把電機(jī)拆下檢查。發(fā)現(xiàn)了定子、轉(zhuǎn)子其中充滿了太多的冷卻油，而這原因是密封圈損壞，導(dǎo)致油位上升。

由理論上看，在氣隙中有了油后其磁阻增加，導(dǎo)致電機(jī)的電流增加。清理后開機(jī)出現(xiàn)了溫度傳感器故障(9031#報(bào)警)。再次檢查，JY2插頭沒有在主軸的模塊中，將其處理完畢之后故障得以處理。

2 常見伺服故障形式

一般伺服系統(tǒng)有故障時(shí)無外是3種表現(xiàn)方式：①CRT、操作面板顯示出報(bào)警的信息、內(nèi)容；②進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)單元上用報(bào)警燈或數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)單元的故障；③運(yùn)動(dòng)不正常但沒有報(bào)警。

進(jìn)給伺服的常見故障如下。

1)超程。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)超出原設(shè)定世游賽，又或是因?yàn)橄尬婚_關(guān)在設(shè)定時(shí)，出現(xiàn)硬限位，超程報(bào)警都會(huì)發(fā)出，并顯示在CRT中，向發(fā)生超程相反方向運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸，即可處理完畢。

2)過載。運(yùn)動(dòng)負(fù)載太大之后，又或是傳動(dòng)鏈條的潤(rùn)滑不良、次數(shù)過多的正反向運(yùn)動(dòng)，均能將過載報(bào)警引發(fā)。在CRT中，會(huì)提示伺服電機(jī)過熱、過載等報(bào)警。并且在強(qiáng)電柜中，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元中的數(shù)碼管等，會(huì)顯示出電流信息等等。

3)竄動(dòng)。竄動(dòng)出現(xiàn)可能是由于以下幾點(diǎn)原因?qū)е碌模簻y(cè)試時(shí)，遇到信息不穩(wěn)的情況。可能是由于裝置故障、信號(hào)測(cè)試時(shí)反饋遇到干擾?？墒强刂菩盘?hào)不穩(wěn)定，遇到干擾。又如可能是因?yàn)槁萁z松動(dòng)，導(dǎo)致接線端子接觸不穩(wěn)定。以上情況發(fā)生，先考慮運(yùn)動(dòng)換賂(正、反)，其本是由于伺服系統(tǒng)產(chǎn)生過大的增益，或是因?yàn)檫M(jìn)給的傳動(dòng)鏈條出現(xiàn)反向間隙。

4)爬行。出現(xiàn)爬行的因素很多，如負(fù)載過大、鏈條缺少潤(rùn)滑等等，需要特別注意以下幾點(diǎn)：考慮是否有裂紋出現(xiàn)，考慮是否聯(lián)軸出現(xiàn)了問題等[7]。這些都是要特別注意的。

5)振動(dòng)。振動(dòng)基本是速度問題，如機(jī)床高速運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)過流報(bào)警，振動(dòng)產(chǎn)生。檢測(cè)方法是去查看速度環(huán)。故障有3個(gè)原因，包括給定的和反饋信號(hào)，以及速度調(diào)節(jié)器本身。機(jī)床的振動(dòng)周期是否與進(jìn)給速度有關(guān)，應(yīng)分開，如軸速度回路的高增益引起的支承或速度反饋失效。但如果與速度無關(guān)，則振動(dòng)通常由位置環(huán)的增加或位置反饋失效引起，如加減速時(shí)的振動(dòng)，這往往是由系統(tǒng)加減速時(shí)間設(shè)定得太小引起的。

6)伺服電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)單元。除了速度控制信號(hào)外，還有控制信號(hào)，通常是DC+24V繼電器線圈電壓。當(dāng)電機(jī)異常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，常用的診斷方法是：檢查數(shù)據(jù)系統(tǒng)是否有速度控制信號(hào)的輸出。檢查信號(hào)是否接通?？梢噪S時(shí)觀察CRT的I/O狀態(tài)，分析PLC的流程圖，明確進(jìn)給軸的冷卻等啟動(dòng)條件是否可以滿足[8]。對(duì)于電磁制動(dòng)伺服電機(jī)，必須檢查電磁制動(dòng)器是否沒有松開。這可能是驅(qū)動(dòng)裝置的故障?？赡苁撬欧姍C(jī)的故障。

7)位置誤差。當(dāng)伺服軸的運(yùn)動(dòng)超過所允許的位置范圍時(shí)，數(shù)據(jù)系統(tǒng)將產(chǎn)生過度停車錯(cuò)誤的警報(bào)。包括定位、輪廓誤差等。410# 報(bào)警是伺服軸停止時(shí)誤差計(jì)數(shù)器讀出的實(shí)際誤差值大于1829 中的設(shè)定值，也叫停止時(shí)誤差過大報(bào)警； 411# 報(bào)警是伺服軸在運(yùn)動(dòng)過程中，誤差計(jì)數(shù)器讀出的實(shí)際誤差值大于1828 中的極限值，也叫移動(dòng)時(shí)誤差過大報(bào)警。原因如下：系統(tǒng)設(shè)置的允許差值范圍小。伺服系統(tǒng)增益設(shè)置不當(dāng)。在位置檢測(cè)裝置中發(fā)生污染。進(jìn)給鏈的累積誤差太大。當(dāng)主軸箱垂直移動(dòng)時(shí)，平衡裝置(如平衡液壓缸)不穩(wěn)定。

8)漂移。指令值=0，坐標(biāo)軸還保持移動(dòng)，以此導(dǎo)致益出現(xiàn)了誤差。通過誤差的補(bǔ)償、驅(qū)動(dòng)單元零速優(yōu)化來消除漂移的故障。

9)回參考點(diǎn)故障。主要有兩種故障：①找不到，回參點(diǎn)減速開關(guān)產(chǎn)生的信號(hào)、零標(biāo)志脈沖信號(hào)失效導(dǎo)致，用示波器檢測(cè)；②找不準(zhǔn)：參考點(diǎn)開關(guān)擋塊位置設(shè)置不當(dāng)所引發(fā)的，只要重新調(diào)整就可以。

參考點(diǎn)故障解決的主要方法可以從以下方面入手：①回參考點(diǎn)方式有效(ZRN)(MD1/MD4)，對(duì)應(yīng)PMC 地址G43.7=1，G43.0=1, G43.2=1；②軸選擇(+/-Jx)有效，對(duì)應(yīng)PMC 地址G100--G102=1；③減速開關(guān)讀入信號(hào)，對(duì)應(yīng)PMC 地址X9.0到X9.3 或G196.0-3=1 0 1；④電氣柵格被讀入，找到參考點(diǎn)。

伺服系統(tǒng)的優(yōu)劣直接決定了數(shù)控機(jī)床的性能優(yōu)劣，他的故障維修是數(shù)控機(jī)床維修中最重要的部分之一。應(yīng)該從系統(tǒng)面板提示的報(bào)警信息、伺服診斷信息、伺服單元數(shù)碼管顯示的狀態(tài)入手，通過相關(guān)的G信號(hào)進(jìn)行分析查找，逐步解決問題。

3 結(jié) 語

數(shù)據(jù)機(jī)床診斷的功能非常強(qiáng)，數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供了相當(dāng)豐富診斷信息，由軟件、硬件控制上設(shè)計(jì)了多種報(bào)警、保護(hù)，為數(shù)據(jù)機(jī)床正常運(yùn)用、維護(hù)維修，提供了極大方便。在深入理解基礎(chǔ)上根據(jù)手冊(cè)，注意分析，一層一層處理，逐步找出故障，另外特別需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的供電、污染、干擾等環(huán)境加以分析。